Содержание твердого в пульпе

Механизмы действия реагентов коагулянтов и флокулянтов

Поверхностный заряд частиц характеризуется величиной электрокинетического потенциала (ζ). Если ζ меньше некоторого критического значения, происходит флокуляция частиц, их осаждение и осветление суспензии. Если же ζ превышает критическое значение, то в осадок выпадают только наиболее крупные частицы. Поэтому необходимо снизить величину заряда частиц дисперсной фазы или изменить структуру и состав адсорбционно-сольватного слоя на их поверхности. [2] Для этого применяются реагенты флокулянты и коагулянты.

Коагулянты

В качестве коагулянтов применяют низкомолекулярные сольватирующиеся в воде неорганические вещества, например, соли железа или алюминия: сульфат алюминия, хлорное железо. Распадаясь в воде на ионы, они частично разрушают гидратный слой вокруг взвешенных в пульпе частиц, связанный с двойным слоем ионов поверхности частицы. В результате этого становится возможным преодоление частицами энергетического барьера за счет их кинетической энергии и сцепление частиц между собой. При этом образуются агрегаты, в которых частицы связаны между собой молекулярными силами напрямую или через прослойку воды. Таким образом, происходит агрегация частиц и осаждение агрегатов. Агрегаты, получившиеся в результате коагуляции, остаются гидрофильными и образуют после осаждения плотные осадки.

Кроме солей железа и алюминия в качестве коагулянтов используют и другие вещества, распадающиеся в воде на ионы: известь, водорастворимые силикаты, гидроокись натрия, квасцы и другие. Однако применение коагулянтов ограничивается малой эффективностью действия и химической активностью по отношению к металлоконструкциям.

В качестве коагулянтов можно применять неорганические низкомолекулярные полиэлектролиты, такие как алюминат натрия NaAlO₂, полиоксихлорид алюминия Al(OH)_mCl_3n-m, сульфаты железа (II) FeSO_4*7Н₂О и алюминия Al₂(SO₄)₃∙18H₂O, и др.

Флокулянты

Процесс флокуляции вызывается реагентами гидрофобизирующими поверхность частиц полностью или частично, а также реагентами, связывающими частицы между собой. Такое действие оказывают флокулянты. Повышенная температура и перемешивание увеличивают вероятность сцепления частиц дисперсной фазы и образования агрегатов.

Флокулянтами называют высокомолекулярные растворимые в воде углеводородные химические соединения природные или синтетические. Например, полиакриламид, гипан, сепаран, седипур, аэрофлоки, полифлоки, магнафлоки, экафон, флокалы, седомакс и др. Наиболее известен флокулянт-полиакриламид (ПАА). Число групп мономеров в ПАА достигает 10 000. Основным сырьем для получения ПАА является акрилнитрил.

Рис. 1.1. Фрагмент молекулы полиакриламида

 

Однако в настоящее время наибольшую популярность завоевали флокулянты с числом атомов в молекуле более миллиона (обычно 2-3 млн. атомов). Например, Магнафлок-156, 455, Е10, ZETAG, ВПК, Flopam и др. При помещении флокулянта в пульпу, содержащую угольный или глиняный шлaм, частицы связываются друг с другом в агрегаты-флокулы и выпадают в осадок.

Механизм образования агрегатов флокулянтами отличается от механизма агрегации частиц коагулянтами.

Известно два механизма.

Первый – мостиковая флокуляция, образуется при сцеплении молекулой флокулянта отдельных частиц между собой. Сцепление молекулами-флокулянтами частиц между собой приводит к образованию многочисленных «мостиков», которые связывают частицы между собой в агрегаты. Гидратные слои препятствуют сближению твердых частиц. Поэтому длина молекул флокулянтов, образующих «мостики», должна превышать общую толщину гидратных слоев, препятствующих сближению твердых частиц.

Эти «мостики» образуются благодаря наличию активных групп в молекуле флокулянта. Адсорбционно-активные группы организуют закрепление флокулянтов за счет образования адсорбционных или химических связей на поверхности твердых частиц. Такими группами могут являться гидроксилы, аминогруппы и другие активные группы, которые способны связывать минеральные частицы. Молекула флокулянта, закрепившаяся на одной минеральной частице, может также образовать связь на поверхности другой частицы благодаря своим многочисленным адсорбционно-активными группам.

Агрегаты-флокулы, созданные из частиц, скрепленных флокулянтами-«мостиками» являются обводненной структурой, так как между отдельными частицами удерживается достаточное количество воды. Поэтому онипосле обезвоживания обладают большей остаточной влажностью, чем агрегаты, полученные в результате гидрофобной флокуляции.

Второй механизм закрепления – гидрофобная флокуляция, при которой молекула флокулянта гидрофобизирует полностью поверхность частицы или частично, покрывая отдельные участки поверхности, за счет адсорбционного взаимодействия с поверхностью минералов. При этом частично или полностью устраняется гидратный слой вокруг взвешенных в пульпе минеральных частиц. Поверхность частиц, а также агрегатов гидрофобизируется, т.е. отличается слабой молекулярной связью с окружающей водной средой. Уменьшение гидратного слоя позволяет частицам приближаться друг к другу и образовывать агрегаты-флокулы. Осадок из агрегатов, полученных в результате гидрофобной флокуляции, более плотный, чем при мостиковой флокуляции и менее обводнен.

Флокулянты бывают ионогенные, распадающиеся в воде на ионы и неионогенные, которые не ионизируются в воде. Ионогенные флокулянты в зависимости от знака заряда иона, содержащего углеводородный радикал, называют анионными или катионными.

Неионогенные, например, ПАА – полиакриламид в водном растворе гидролизуются частично, его амидная группа CONH₂ преобразуется в слабую катионную группу CONH₃⁺.

Известно, что, попадая в воду, частицы угля и породы получают отрицательный заряд. Положительно заряженные радикалы CONH₃⁺, контактируя с поверхностью частицы, снижают ее электрокинетический потенциал. При этом одновременно происходит электролитная коагуляция и мостиковая флокуляция частиц молекулами ПАА.

Флокулянты – поверхностно-активные вещества и, следовательно, их активность не повышается с увеличением концентрации флокулянта в пульпе. Необходимо осуществлять подбор «рабочего» диапазона флокулянтов для обезвоживания пульп индивидуально.

Флокулянты, как правило, используются в виде 0,1 %-ных растворов.